觸發(fā)開關(guān)在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊地位，開關(guān)性能的好壞直接影響到脈沖功率系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。氣體觸發(fā)開關(guān)因其工作電壓高、放電電流大、導(dǎo)通阻抗低、可靠性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在大功率激光、加速器、Z箍縮、閃光照相等脈沖功率領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

抖動(dòng)、工作壽命一直是衡量氣體觸發(fā)開關(guān)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，現(xiàn)已成為脈沖功率開關(guān)技術(shù)的重要研究課題，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)這兩方面開展大量實(shí)驗(yàn)研究工作。針對(duì)長(zhǎng)壽命開關(guān)的設(shè)計(jì)研究主要集中在電極燒蝕與絕緣保護(hù)兩個(gè)方向。

中國(guó)工程物理研究院、華中科技大學(xué)等分別對(duì)不同電極材料進(jìn)行了燒蝕特性實(shí)驗(yàn)并研究了其壽命；西北核技術(shù)研究所通過不同電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化電場(chǎng)分布，使得放電均勻減少表面燒蝕；國(guó)防科技大學(xué)采用防污染開關(guān)設(shè)計(jì)，減少其電極噴射物所帶來的絕緣支撐污染，提高了開關(guān)使用壽命。

為解決氣體火花開關(guān)的可靠觸發(fā)問題，除選用快前沿的觸發(fā)脈沖外，采用預(yù)電離技術(shù)或者是改變電極結(jié)構(gòu)也可達(dá)到降低開關(guān)抖動(dòng)的目的。

其中，西安交通大學(xué)在開關(guān)觸發(fā)盤內(nèi)加裝預(yù)電離針技術(shù)，研究其在紫外光預(yù)電離下開關(guān)的導(dǎo)通特性；在觸發(fā)極內(nèi)部嵌入一個(gè)用于等離子噴射的噴孔，在噴射腔內(nèi)觸發(fā)放電產(chǎn)生等離子體，是另一種促進(jìn)間隙導(dǎo)通的方式；此外，也有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)通過改變電極結(jié)構(gòu)平行間隙排列，增強(qiáng)間隙間火花放電預(yù)電離作用，降低開關(guān)擊穿時(shí)延。隨著近年來脈沖功率技術(shù)迅速發(fā)展，工程應(yīng)用對(duì)火花開關(guān)的低抖動(dòng)、長(zhǎng)壽命特性提出了更高要求。

本文以一種同軸型火花開關(guān)作為研究對(duì)象，采用空芯Tesla變壓器與陡化開關(guān)相結(jié)合作為其脈沖源，搭建一套測(cè)試觸發(fā)開關(guān)性能的實(shí)驗(yàn)回路。開關(guān)電極的特殊設(shè)計(jì)增大了放電電極等效面積，有效地降低了開關(guān)的電極燒蝕，延長(zhǎng)其使用壽命。采用石英玻璃擋板研究觸發(fā)間隙火花放電產(chǎn)生紫外光對(duì)過電壓間隙的預(yù)電離效果，分析此預(yù)電離作用與同軸型火花開關(guān)觸發(fā)特性的相互關(guān)系。

基于上述實(shí)驗(yàn)回路研究該同軸型火花開關(guān)在有/無紫外光預(yù)電離效果、不同工作系數(shù)下的開關(guān)觸發(fā)特性以及表面燒蝕狀況，并討論影響紫外光預(yù)電離作用的相關(guān)因素。研究結(jié)果為預(yù)電離開關(guān)在實(shí)際工程中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了參考和建議。

圖1 開關(guān)剖面圖及電極放大示意圖

圖5 實(shí)驗(yàn)回路實(shí)物圖

圖10 試驗(yàn)前后電極表面燒蝕對(duì)比圖

總結(jié)

設(shè)計(jì)了一種同軸型火花開關(guān)，其采用橫向自耦式結(jié)構(gòu)，利用觸發(fā)間隙放電產(chǎn)生紫外光促進(jìn)金屬電極表面初始電子形成，進(jìn)而優(yōu)化導(dǎo)通特性。通過放置光學(xué)石英玻璃和環(huán)氧樹脂擋板，模擬有/無紫外光預(yù)電離效果，研究其對(duì)此開關(guān)觸發(fā)特性影響，得到以下結(jié)論：

• 1）開關(guān)自擊穿電壓實(shí)際值隨氣壓升高呈線性增長(zhǎng)變化；脈沖源在不同輸出電壓下，進(jìn)行四種條件的開關(guān)導(dǎo)通特性試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，0.1MPa氣壓下同軸型火花開關(guān)工作系數(shù)在76.1%及以上且有紫外光預(yù)電離作用，脈沖輸出電壓在40～50kV區(qū)間內(nèi)時(shí)，開關(guān)觸發(fā)特性穩(wěn)定，抖動(dòng)小于2ns。
• 2）觸發(fā)間隙擊穿電壓幅值對(duì)導(dǎo)通時(shí)延影響較大，電壓值達(dá)到40kV時(shí)，受金屬電極尺寸限制，紫外光預(yù)電離對(duì)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)延的作用已趨于飽和；經(jīng)過100次自擊穿試驗(yàn)及800次觸發(fā)特性試驗(yàn)后，開關(guān)電極表面燒蝕較為均勻，電極材料經(jīng)過表面拋光處理后仍可繼續(xù)使用，電極整體耐燒蝕性較好。